Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Рулевое управление с усилителем

РУЛЕВОЕ УПРАВЛЕНИЕ С УСИЛИТЕЛЕМ

Содержание:

Стр.

Введение 2
Типы рулевого механизма. 3
Гидроусилитель руля – ГУР. 4
Структура системы. 7

Электроусилитель руля – ЭУР. 13
Рулевой механизм с переменным отношением. 13
Процесс развития рулевого управления. 15
Литература 18

Введение.

В начале ХХ века управление машиной требовало от водителя хорошей физической формы. Ведь для того чтобы повернуть тяжелые колеса для разворота на пятачке, приходилось здорово налегать на баранку. Такое положение дел, разумеется, мало кому нравилось: не все господа-автовладельцы блистали нужным здоровьем, к тому же в мир авто стремились и дамы, которым напрягаться и вовсе не положено. Особо страдали водители грузовозных автомобилей. Конструкторы стали думать. Естественным выходом было увеличение в рулевом передаточного числа, но тут появлялся серьезный минус – руль приходилось крутить, как ручку граммофона. Простой арифметикой задача не решалась – требовалось вводить новую систему. И ее придумал в 1925 году американец Фрэнсис Дейвис, запатентовав специальное устройство под названием "гидравлический усилитель рулевого управления". Правда, конструкция выглядела несколько "сыроватой" и мгновенного успеха не обрела. Однако принцип и путь совершенствования наметились: с конца 30-х – начала 40-х годов в Америке, а затем и в Европе конструкторы начинают ставить ГУР на некоторые свои модели автомобилей. К чему это привело сегодня, знают все – этим устройством оснащается весь грузовой автотранспорт и немалая доля легкового. Долгое время автомобильные конструкторы и не помышляли о сервоусилителях руля. Невысокие требования к управляемости и комфорту и небольшое пятно контакта сравнительно узких шин позволяли обходиться одной человеческой силой даже в управлении тяжелыми грузовиками. Средство для уменьшения усилия на руле было одно: сделать побольше передаточное отношение привода и диаметр баранки. А с тем, что водителю придется наяривать огромным рулем пять-шесть оборотов от отбоя до отбоя, да и точность управления будет невысокой, приходилось мириться.
Сначала усилители рулевого управления появились на тяжелой технике — карьерных самосвалах. Произошло это в конце 30-х годов, перед войной. Правда, сначала стали использовать пневмоусилители — они были несложными и запитывались от компрессора уже существующих пневматических тормозов. Но гидравлика, хотя была сложнее и дороже пневматики, работала тише и точнее. На ней и остановились

конструкторы легковых автомобилей. Застрельщиками здесь выступили, понятное дело, американцы. В 1951 году серийные автомобили Chrysler Crown Imperial стали впервые оснащать гидравлическими усилителями Hydraguide в качестве стандартного оборудования. А в Европе в 1954 году гидроусилителем обзавелся Citroen DS 19.

Типы рулевого механизма.

Сначала — о самих рулевых механизмах, коих на автомобилях насчитывается три типа. Один из них, хорошо знакомый нам по классическим Жигулям, Москвичам и Волгам, носит неаппетитное название "червяк-сектор" или "червяк-ролик" из-за того, что его действие основано на использовании червячной шестеренчатой пары. Насаженный на конец рулевого вала глобоидальный червяк через зубчатый сектор или ролик поворачивает рулевую сошку, а та тянет вправо-влево тяги рулевой трапеции.

Такой механизм практически сошел со сцены, уступив место в рулевых приводах грузовых и легковых автомобилей классической компоновки более сложным устройствам. Полное их название - "винт-шариковая гайка-рейка-сектор". Винт, которым оканчивается рулевой вал, через циркулирующие по резьбе шарики толкает вдоль своей оси поршень-рейку. А тот в свою очередь поворачивает зубчатый сектор рулевой сошки.

Но с середины 70-х годов, с распространением на легковых автомобилях переднего привода, стал входить в моду древнейший тип рулевого механизма - "шестерня-рейка" или попросту реечный. Да-да, именно древнейший - ведь на самых первых автомобилях конца 19 столетия для поворота управляемых колес уже использовалось это простейшее сочетание шестерни на рулевом валу и зубчатой рейки в поворотном механизме! Не забывали о нем конструкторы и в середине 20 века - например, реечными механизмами снабжались автомобили BMW 30-х годов. А потом выяснилось, что механизм шестерня-рейка, будучи легче и технологичнее других механизмов, идеально подходит для переднеприводной компоновки и подвески McPherson, обеспечивая большую легкость и точность рулевого управления.

И теперь подавляющее большинство механизмов на легковых автомобилях (в том числе и классической компоновки)- реечные. А грузовые машины, пикапы и большие внедорожники в основном по-прежнему довольствуются устройствами с винтом и гайкой на рециркулирующих шариках.

Гидроусилитель руля – ГУР.

Как следует из названия, данное устройство основано на использовании принципа гидравлики. Давление в системе, заправленной специальной жидкостью, создается гидравлическим насосом, приводимым в действие коленчатым валом двигателя. В конструкции предусмотрен золотниковый клапан, который при повороте руля переключает подачу жидкости в ту или иную полость, обеспечивая дополнительный механизм рулевого управления (редуктор или рейку).

Задача состоит в том, чтобы сделать поворачивание рулевого колеса достаточно легким при маневрировании с малой скоростью и более ощутимым по усилию на рулевом колесе при движении с большей скоростью, чтобы управление автомобилем стало как можно более безопасным.

У большинства гидроусилителей вне зависимости от скорости движения автомобиля коэффициент усиления остается постоянным. Однако все большее число поступающих на рынок автомобилей сегодня оснащается системами с переменным коэффициентом усиления, у которых степень усиления уже изменяется в зависимости от скорости движения автомобиля. Они обеспечивают точную и быструю реакцию при движении автомобиля на поворотах и требуемое усилие при маневрировании автомобиля с малой скоростью. Одним из путей достижения этого является использование рейки рулевого механизма с переменным передаточным отношением зубчатого зацепления.

С этой целью по длине рейки изменяется шаг и диаметр делительной окружности зубьев, а на шестерне шаг зубьев остается постоянным. Когда колеса автомобиля выставлены для движения в прямом направлении, передаточное число рулевого механизма равно единице и коэффициент усиления наименьший, но по мере приближения рулевого колеса к его крайним положениям, передаточное число возрастает и усиление, необходимое для поворачивания колес, уменьшается. Гидроусилитель рулевого механизма, управляемый компьютером, также перестает быть чем-то необычным. Такие системы рулевого управления обрабатывают информацию от спидометра автомобиля. Их работа определяется не только числом оборотов двигателя, но и скоростью движения автомобиля. Микропроцессор компьютера анализирует поступающие от датчика сигналы и вычисляет требуемый на каждый момент коэффициент усиления, который реализуется с помощью электрогидравлического преобразователя. Идея разработчиков таких систем: взять лучшее из двух видов рулевого управления - при скоростях, характерных для паркования автомобиля, сделать рулевое управление наиболее легким, а при движении с высокой скоростью действие усилителя уменьшать до такой степени, чтобы система работала почти так же, как обычное механическое рулевое управление без усилителя.

Как правило, рулевой механизм с гидроусилителем обладает высокой надежностью и не требует сложного обслуживания при эксплуатации автомобиля. Даже в случае отказа насоса усилителя, движение на автомобиле можно продолжать, хотя для поворачивания рулевого колеса в этом случае потребуется прикладывать значительно больше усилий, чем даже на автомобиле без гидроусилителя.
Исполнительный механизм гидроусилителя легкового автомобиля, как правило, выполнен заодно с рулевым механизмом - такие усилители называются интегральными. В качестве рабочей жидкости в гидроусилителях иномарок используется масло ATF- то же, что и в автоматических коробках передач.

А отечественные агрегаты работают на масле марки Р, по своим свойствам близком к обычной "веретенке".

Реечный рулевой механизм с гидроусилителем. Если рулевые тяги, как здесь, располагаются по бокам рейки, то поршень размещается посередине корпуса. А если тяги крепятся к центральной части рейки, как это сделано на Самарах и Москвиче-2141, то поршень выносят вбок.
1 — рулевая рейка; 2 — поршень; 3 — сальники; 4 — шарниры рулевых тяг; 5 — распределитель с золотником; 6 — шестерня; 7 — торсион; 8 — роторный гидронасос

Рулевое управление с усилителем представляет собой

устройство, предназначенное для уменьшения усилия, необходимого

для поворота рулевого колеса. В настоящее время системы

рулевого управления с усилителем используются очень широко.

Вместе с тем в системах с постоянным коэффициентом

усиления при установке небольшого рулевого усилия управление

будет слишком чувствительным для движения на высокой

скорости, а при установке большого усилия в расчете на высокую

скорость движения рулевое управление становится слишком

тяжелым для водителя при движении на низких скоростях.

Разработки с целью повышения эффективности рулевого

управления базируются на прогрессе в области электронной

техники и имеют два направления — управление, реагирующее

на скорость движения автомобиля, и управление, реагирующее

на частоту вращения коленчатого вала двигателя.

В первом случае коэффициент усиления изменяется в соответствии

со скоростью автомобиля, во втором — с частотой

вращения коленчатого вала двигателя. В обоих случаях цель

изменения состоит в том, чтобы сделать более легким управление

на низкой скорости и менее чувствительным — на высокой.

Существуют также системы которые с помощью микроЭВМ

позволяют управлять рулевым усилием по угловой скорости поворота

рулевого колеса либо устанавливать его по желанию водителя.

Структура системы.

Роторный или аксиально-поршневой насос, приводимый ремнем от коленчатого вала, засасывает из бачка масло и нагнетает под высоким давлением в 50-100 атм в золотниковый распределитель. Задача распределителя - отслеживать усилие на руле и строго дозировано помогать поворачивать управляемые колеса. Для этого используют следящее устройство - чаще всего это торсион, встроенный в разрез рулевого вала. Когда машина стоит или едет по прямой, то усилия на рулевом валу нет, и торсион не закручен — соответственно, перекрыты дозирующие каналы распределителя, а масло сливается обратно в бачок. Водитель поворачивает руль, колеса сопротивляются - торсион закручивается тем сильнее, чем больше усилие на руле. Золотник открывает каналы и направляет масло в исполнительное устройство. В механизме типа "винт-шариковая гайка" большее давление подается или за поршень, или до него, помогая тому перемещаться вдоль рулевого вала. А в реечном механизме масло подается в корпус рейки — в ту или иную сторону от поршня, связанного с рейкой, и подталкивает ее вправо или влево. Когда баранка уже повернута до упора, срабатывают предохранительные клапаны, сбрасывая давление масла и сохраняя детали механизма от повреждения.

Система, которая управляет рулевым усилием в соответствии со скоростью автомобиля, состоит, из датчика скорости, электро-

магнитных клапанов, насоса и электронного блока управления.

Существует несколько типов рулевого управления с усилителем.

Однако в основном в них применяется циркуляция рабочей жидкости

под давлением (развиваемым насосом, который приводится в

действие двигателем ) по путям Р-А-Т, Р-В-Т, показанным на рисунке

Клапаны V1, V4 и V2, V3 образуют пары, в каждой из которых

клапаны открываются и закрываются одновременно, причем

Гидравлическая схема

рулевого управления

с усилителем.

пары работают в противофазе. Если рулевое колесо находится

в среднем положении, то давление жидкости справа и слева

одинаково. При повороте рулевого колеса изменяется степень

открытия клапанов в соответствии с величиной усилия. Равенство

давлений с двух сторон поршня нарушается, и за счет возникающей

при этом силы он смещается, поворачивая сектор, связанный с управляемыми колесами. В распространенных системах рулевого

управления с усилителем степень открытия клапанов определяется непосредственно рулевым усилием. Однако управление этим усилием целесообразно осуществлять, обе камеры цилиндров А и В рулевого

механизма обходным каналом, сечение которого регулируется электромагнитным клапаном. Такой способ реализуется в виде

достаточно простой системы. Вместе с тем его недостаток состоит

в том, что из-за ограничений в регулировании потока диапазон изменения

рулевого усилия нельзя сделать достаточно большим. Для преодоления

этого недостатка систему усложняют, используя способ

гидравлического противодействия, позволяющий добиться большей

разницы рулевых усилий.

Поможет электроника

Неоспоримое преимущество рулевого усилителя - облегчение работы рук при парковочных маневрах, когда приходится совершать много оборотов баранки при максимальном усилии, или в затяжных поворотах. Но усилитель обладает еще одним полезным свойством - он ослабляет передачу на руль ударов от неровностей дороги.

А недостатки? Владельцы автомобилей с ГУР часто жалуются на отсутствие или нехватку реактивного усилия на руле. Увы, в этом чаще всего виноват гидроусилитель - он слишком активно помогает водителю, оказывая тому еще и медвежью услугу, убирая ту толику возвращающего усилия, которая и обеспечивает "чувство автомобиля". И задача конструкторов при разработке и настройке ходовой части оказывается чертовски сложной.
Еще одна задача, которая стоит перед конструкторами, - сделать так, чтобы на маленькой скорости руль был легким, а на большом ходу становился более упругим и информативным. А в гидроусилителях на помощь золотнику приходит электрогидравлический модулятор давления - с ростом скорости по сигналу от управляющего блока он ограничивает давление в рабочем контуре, и помощь гидроусилителя сходит на нет. Существует еще один вариант решения - приводить насос гидроусилителя не от коленчатого вала двигателя, а от электромотора. Тогда, с помощью электроники изменяя частоту вращения электропривода, можно варьировать производительность насоса как угодно.

Электроусилитель руля – ЭУР.

Это электроусилители, в которых не осталось никакой гидравлики! На торсионе следящего устройства стоит датчик, и в зависимости от его сигнала электроника подает ток нужной полярности и силы на обмотки электромотора, связанного с рулевым механизмом через червячную передачу. А по сигналам от датчика скорости можно изменять характеристику усилителя в соответствии с любой заложенной в память блока зависимостью. Преимущества электроусилителя налицо:

- независимость работы усилителя от оборотов двигателя автомобиля,
- информативность (самонастройка усилителя руля к скорости автомобиля),
- независимость работы усилителя руля от температурных перепадов,
- экономичность:

а) усилитель руля потребляет энергию только при вращении руля, в отличие от гидроусилителя, когда рабочая жидкость всегда гоняется по трубам, на что тратится дополнительная энергия.

б) Коэффициент полезного действия электродвигателя намного выше КПД гидронасоса.

- надежность (отсутствие шлангов, ремней, прокладок, сальников, жидкостей),
- не требует обслуживания (замены, доливки рабочей жидкости),
- на порядок выше симметричность руля (отсутствие разницы вращающего усилия в левом и правом вращениях руля)

Рулевой механизм с переменным отношением.

А нельзя ли изменять еще и передаточное отношение? Ведь около нулевого положения баранки, когда едешь по прямой на высокой скорости, излишняя острота рулевого управления добра не приносит, заставляя водителя напрягаться. А при парковке или развороте, наоборот, хотелось бы иметь передаточное отношение поменьше — чтобы поворачивать руль на как можно меньший угол. Для этого существует несколько схем реечных рулевых механизмов.

Так работает реечный рулевой механизм ZF с переменным передаточным отношением. Здесь изменяются профиль зубьев рейки и плечо зацепления

Реечный рулевой механизм Honda VGR (Variable Gear Ratio — переменное передаточное отношение) использовался на автомобилях Honda NSX

Фирма ZF использует зубья рейки с переменным профилем: в околонулевой зоне зубья треугольные, а ближе к краям — трапецеидальной формы. Шестерня входит с ними в зацепление с разным плечом, что и помогает немного изменить передаточное отношение.

А другой, более сложный, вариант использовала Honda на своем суперкаре NSX - кстати, в сочетании с электроусилителем. Здесь зубья рейки и шестерни сделаны с переменными шагом, профилем и кривизной. Правда, шестерню приходится двигать вверх-вниз, но зато варьировать передаточное отношение можно в гораздо более широких пределах. Фирма Honda продемонстрировала и другой подход. Представьте себе две рейки, установленные коаксиально одна внутри другой и связанные через червячный привод с электромотором. Одна рейка, как обычно, вращается шестерней рулевого вала, а другая связана с рулевыми тягами. По сигналу от управляющего блока электродвигатель подает ведомую рейку вправо или влево от ведущей - и колеса поворачиваются на больший угол.

Процесс развития рулевого управления.

Рулевое управление предназначено для изменения направления движения автомобиля посредством поворота передних колес. Автомобильное колесо появилось еще до нашей эры, но поворотные оси появились на конных экипажах лишь в начале XIX века. Эта конструкция перешла и на первые автомобили. Позднее родилась рулевая трапеция. В те далекие годы, конечно, никто не предполагал, что рулевое управление станет таким сложным: механика вступит в союз с гидравликой и даже электроникой.

Если взглянуть на концепт кары, которые выставляются на международных выставках, то мы можем заметить, что философия рулевого управления встаёт на новый путь. В этих машинах нет как такового руля. Там стоит джойстик, как на игровых приставках, и управляет автомобилем умный компьютер. Но это пока, пусть и недалёкое, но будущее. А какова же ситуация сейчас. Давайте пройдём путь развития рулевого управления.
Самым старым, но используемым и по сей день рулевым механизмом является связка "червяк - ролик". Червяк с переменным диаметром связан непосредственно с рулевым валом. Он передаёт крутящий момент ролику, который связан с валом с сошкой. Такой рулевой механизм способен выдерживать большие нагрузки, поворачивать колёса на большой угол, практически не передаёт удары от колёс к рулю. Но такая конструкция слишком сложная, руль мало информативен и постоянно будет мучить Вас люфтами.
На смену ему пришёл реечный рулевой механизм. Данный механизм является самым популярным на сегодняшний день. Он устроен очень просто.

Шестерня, которая связана с рулевым колесом, передвигает рейку с зубцами, которая, в свою очередь, поворачивает колёса.
Следующим шагом в развитии рулевого управления стала проблема облегчения усилия на руль со стороны водителя. Существует три типа усилителя, гидравлический, электрогидравлический и электрический. В гидроусилителе есть поршень, по правую и левую стороны которого находится жидкость под постоянным давлением, которое поддерживается с помощью насоса, работающего от двигателя. Также присутствует золотник, который, реагируя на поворот руля, перекрывает определённый канал, чтобы помочь повернуть руль. Минусом такого устройства является насос, который может работать только при включённом двигателе. Этот недостаток устранён в электрогидроусилителе.

В нём насос для создания давления приводится в действие с помощью электромотора, который может работать от аккумулятора, а значит, при выключенном двигателе. Такой подход позволяет снять нагрузку с двигателя, тем самым отдать дополнительные лошадиные силы для движения. Производители скрупулезно подсчитали, что благодаря электрогидравлическим усилителям автомобиль экономит около 0,2 л/100 км. Немаловажно, что инженерам проще подбирать характеристики, настраивать устройство для конкретной модели. В электроусилителе нет никакого поршня. Здесь электромотор напрямую соединён с рейкой рулевого управления. Достоинством такой системы является то, что здесь нет никакой жидкости, а значит, нет и никаких протеканий. К тому же такая конструкция достаточно компактная.
И это ещё не всё. Уже сейчас на некоторых машинах, в частности на БМВ, установлена система активного руления - Active Steering. Главное преимущество - возможность изменять передаточное отношение между рулем и колесами. На пути от баранки к рулевому механизму с гидроусилителем встроена планетарная передача с электромотором.

Когда вы отъезжаете от тротуара, передаточное отношение минимально, а количество полных оборотов руля не более двух. С ростом скорости машины управление становится менее чувствительным, а стоит вырваться на загородную трассу - электромотор, подкручивая водило планетарного редуктора, увеличит передаточное отношение.

Активное рулевое управление, сотрудничая с другими системами, способно помочь и в сложных ситуациях. Например, машину занесло. Компьютер, опросив датчики угла поворота руля и скорости вращения колес, включит электромотор. Тот уменьшит передаточное отношение, чтобы водителю было легче удержать автомобиль на нужной траектории. Активный руль полезен и при экстренном торможении с АBS: если остановиться вовремя не удается, шоферу проще уйти от столкновения.

И все-таки будущее, видимо, не за хитрой механикой или гидравликой, усложненными электроникой. Гранды автомобилестроения вовсю работают над системами без механической связи между рулем и колесами - так называемым управлением по проводам (steering by wire).

Вращение руля отслеживает специальный датчик. Электронный блок, получая информацию о скорости, боковых и вертикальных ускорениях, посылает сигнал на актуаторы - электромоторы, поворачивающие колеса.

Преимущества такой системы очевидны. В критической ситуации автомобиль сможет самостоятельно (причем быстрее человека!) повернуть колеса на нужный угол. Допустим, системе стабилизации не удалось предотвратить занос, и машина, как волчок, закрутилась на обледеневшем шоссе. Быстродействующая электроника, опросив датчики, повернет руль, куда и на сколько нужно, и притормозит одно или пару колес.

Самостоятельность автомобиля намного упростит жизнь водителю: например, компьютер ловко припаркуется. А когда машины научат хорошо "видеть", они смогут даже объезжать препятствия.

Такие системы выгодны и технологически: протянуть провода куда проще, чем вал с шарнирами. Рулевая трапеция получает отставку - разные углы поворота колес задают сами электромоторы. Кстати, и с точки зрения пассивной безопасности такая конструкция лучше.

Концептов без традиционного управления уже немало. Видимо, серийные автомобили появятся в обозримом будущем. А потом, глядишь, привычный руль заменит многофункциональный джойстик - им водитель будет корректировать не только направление, но и скорость.

Рулевое управление автомобиля предназначено для изменения угла поворота колес при изменении положения руля. В общем, если руль повернуть вправо, то происходит работа рулевого управления, которое поворачивает колеса автомобиля тоже в правую сторону. Чем больше угол поворота руля, тем на больший угол поворачиваются управляемые колеса.

Главное требование которое предъявляется к рулевому управления современного автомобиля - это надежность и точность работы. Это означает, что если неисправно рулевое управление, то это может привести к печальным последствиям, ведь машина становиться полностью неуправляемой. Еще основное требование - это точность управления, т.е. при повороте руля, колеса должны сразу же, а не с задержкой,

Уже сейчас внедряется технология рулевого управления, которая сама, с помощью многочисленных электронных датчиков и умного бортового компьютера, припарковывает машину. Вам даже не нужно рулить машина всё сделает за Вас.
Пытливые умы нашего времени каждый день придумывают такие диковинные технологии, которые совсем недавно можно было прочитать на страницах фантастических произведений. Даже трудно себе представить, какой будет уровень развития в ближайшие полвека. Но уже сейчас мы можем увидеть, какими темпами идёт развитие автопромышленности.

Литература:

X. Сига, С. Мидзутани «введение в автомобильную электронику»

М.И. Бескаравайный «устройство автомобиля»

Й. Раймпель «Шасси автомобиля. Рулевое управление»

М.И. Лысов «рулевые управления автомобилей»

Е.В. Михайловский, К.Б. Серебряков, Е.Я. Тур «Устройство автомобиля»

http://amastercar.ru/